下行瓦斯抽采穿層鉆孔排水技術(shù)及裝置研究與應(yīng)用

孟戰(zhàn)成

（平煤股份勘探工程處，河南省平頂山市，467000）

鉆孔抽采瓦斯是實(shí)現(xiàn)突出煤層安全開采的前提和保證。為了降低費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)“一巷兩用”，部分礦井在高位巷施工下行穿層鉆孔治理煤巷瓦斯。但在打鉆過程中巷道風(fēng)流瓦斯?jié)舛瘸迒栴}不僅影響了鉆孔施工效率，而且對鉆機(jī)作業(yè)和井下巷道環(huán)境安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅［1-5］。

在高位巷施工下行穿層瓦斯抽采鉆孔時(shí)，由于施工過程排渣、排水難度大，造成鉆孔內(nèi)積渣、積水無法排出鉆孔，影響封孔、抽采效果，無法達(dá)到預(yù)期抽采目標(biāo)。目前，高位巷下行穿層瓦斯抽采鉆孔施工及封孔過程中有以下問題：下行鉆孔向上排粉難，鉆孔易積渣、易積水；封孔前孔內(nèi)有積渣、積水，封孔管不能下至指定位置；因封孔段有水，導(dǎo)致封孔效果不好；抽采段有水，導(dǎo)致抽采效果差。

1 下行穿層鉆孔排渣機(jī)理與供水參數(shù)優(yōu)化

1.1 下行穿層鉆孔排渣機(jī)理

下行穿層鉆孔目前大多采用沖洗液（高壓風(fēng)或高壓水）正循環(huán)的方式排渣成孔，即沖洗液從鉆桿中心進(jìn)入，通過鉆頭上的孔洞進(jìn)入鉆削部位，再沿著鉆桿與孔壁之間的間隙帶著礦渣流出孔口，完成排渣過程。排渣過程中的動力來自于外在沖洗液的動力，沖洗液正循環(huán)排渣示意圖見圖1。

圖1 沖洗液正循環(huán)排渣示意圖

在鉆孔鉆進(jìn)過程中，鉆渣在鉆頭孔口沖洗液射流的作用下離開孔底，進(jìn)入鉆桿與孔壁之間的空間，并上返至孔口。經(jīng)分析，鉆渣上返過程中在孔壁與鉆桿之間的空間運(yùn)動中會形成3個(gè)區(qū)域。

（1）鉆渣上返區(qū)。該區(qū)與孔口相連，鉆渣顆粒直徑小，孔內(nèi)鉆渣量較少，沖洗液的流速高，在沖洗液的作用下，這一區(qū)域的鉆渣能順利地排到孔外。

（2）鉆渣聚集區(qū)。在鉆渣上返區(qū)下部就逐漸聚集一些較大的鉆渣顆粒，這些大顆粒無法上返而逐漸聚集起來。

（3）鉆渣擠壓區(qū)。隨著鉆孔深度繼續(xù)增加，鉆渣聚集區(qū)下部，在鉆頭、鉆桿的攪動下，小顆粒穿過聚集區(qū)上返，大顆粒則聚集在下邊，鉆渣聚集區(qū)下部的鉆渣被逐漸壓實(shí)，形成鉆渣擠壓區(qū)；隨著鉆頭旋轉(zhuǎn)在擠壓區(qū)的鉆渣被二次粉碎，小顆粒上返。當(dāng)鉆機(jī)扭矩不足，不能把大顆粒鉆渣擠破時(shí)，就會產(chǎn)生鉆渣將鉆桿緊緊抱死的“卡鉆”現(xiàn)象。

在下行穿層鉆孔鉆進(jìn)過程中，這3個(gè)區(qū)域是動態(tài)變化的、依次逐步形成的，并最終同時(shí)存在。在鉆進(jìn)過程中，不斷提鉆或增大沖洗液壓力，一定程度上破壞了鉆渣擠壓區(qū)和鉆渣聚集區(qū)，緩和了鉆渣擠壓區(qū)的形成，使得鉆進(jìn)可以得到持續(xù)；不斷提鉆，擠壓區(qū)的鉆渣將掉入孔底，鉆頭對鉆渣反復(fù)破碎，有利于鉆渣的排出，但降低了鉆進(jìn)的速度。

1.2 下行穿層鉆孔供水參數(shù)優(yōu)化

（1）巖屑顆粒沉降速度。靜止液體中，巖屑顆粒受力示意圖見圖2。

圖2 靜止液體中，巖屑顆粒受力示意圖

圖2中，假定巖屑顆粒為球形，其重力為G，方向向下，在重力作用下顆粒下沉；P1為浮力，大小等于顆粒所排出同體積液體的重量，方向向上；P2為顆粒在液體中下沉運(yùn)動所遇到的阻力，方向向上。得出：

式中：G——球形顆粒的重量，N；P1——浮力，N；

P2——顆粒在液體中下沉運(yùn)動所遇到的阻力，N；

γ1——巖屑顆粒密度，取2.5×103kg/m3；

d1——球形巖屑直徑，m。

γ2——沖洗液體密度，取1×103kg/m3；

W——巖屑顆粒在液體中的沉降速度，m/s

F1——受到阻力的面積，即垂直于運(yùn)動方向的巖屑橫斷面積，m2；

C——阻力系數(shù)，與巖屑形狀、大小、液體粘度等有關(guān)。

將式（1）簡化：

設(shè)定巖屑顆粒直徑為3 mm，C值取2.5，則其在水中的沉降速度W=0.166 m/s。

（2）沖洗液流量的計(jì)算。Q=F2×v1（3）

式中：Q——沖洗液流量，m3/s；

F2——上返液流流過的斷面，m2；

v1——沖洗液上返速度，m/s。正循環(huán)沖洗時(shí)，式（3）轉(zhuǎn)化為：

式中：m——由于孔徑不規(guī)則，上返速度不均勻系數(shù)，取1.07；

d2——孔徑，取0.094 m；

d外——鉆桿外徑，取0.073 m；

v1——沖洗液上返速度，取0.6 m/s。

將相關(guān)參數(shù)代入式（4）得Q為0.00175 m3/s（0.1 m3/min）。

此值表明，要使直徑3 mm的巖石顆粒能夠上返，沖洗液的流量不低于0.1 m3/min。

下行鉆孔若要順利高效率排渣，最小管路直徑為34 mm，或最小流速增加到3.56 m/s。

2 封孔排水技術(shù)和裝置研究

潛入式排水裝置結(jié)構(gòu)如圖3，實(shí)物如圖4所示，裝置的筒體長1000 mm，筒體直徑76 mm，排水管外徑16 mm，進(jìn)排氣管外徑8 mm，氣源壓力大于等于0.3 MPa，一個(gè)循環(huán)排水量4 L。潛入式排水器的排水管管口位于筒體底部，進(jìn)排氣管管口位于筒體頂部，底部控制閥為一單向?qū)ㄩy門，水只能從外部經(jīng)此處進(jìn)入筒體，不能從此處流出。

圖3 潛入式排水器結(jié)構(gòu)圖

圖4 潛入式排水器筒體實(shí)物

抽采鉆孔打孔結(jié)束，退出鉆桿鉆頭之后，封孔之前，先把排水管、進(jìn)、排氣管插到筒體上的快速接頭上，把牽引繩的一頭拴在繩鼻上，然后將排水器插入孔內(nèi)，直至接近孔底。在排水器插入孔底的過程中，孔內(nèi)積水進(jìn)入筒體內(nèi)部，打開三通閥手柄，向筒體內(nèi)通入壓縮空氣，單向?qū)ㄩy關(guān)閉，筒體內(nèi)形成封閉空間，在壓縮空氣的作用下，筒體內(nèi)的積水通過排水管排到孔外。當(dāng)排水管不再出水，噴出氣體時(shí)，筒體內(nèi)積水就基本排除完畢。停止供氣，轉(zhuǎn)動三通閥手柄，進(jìn)、排氣管處于排氣狀態(tài)，在外部水壓的作用下，積水通過單向?qū)ㄩy進(jìn)入筒體，同時(shí)，筒體內(nèi)的空氣通過排氣管排到孔外。至此完成一個(gè)排水、進(jìn)水循環(huán)。

重復(fù)上述循環(huán)，就排出了孔內(nèi)積水。需要注意的是在排水時(shí)，排水管管口附近嚴(yán)禁站人，以防高壓水噴出傷人。

3 抽采過程中排水技術(shù)和裝置研究

3.1 抽采過程中排水技術(shù)

下行抽采鉆孔正壓排水器結(jié)構(gòu)和實(shí)物圖如圖5和圖6所示。當(dāng)鉆孔內(nèi)有積水時(shí)，排水器安裝在鉆孔的瓦斯抽采管上，排水器由帶快速接頭的三通、密封接頭、排水管、排水管閥門、進(jìn)氣閥門、抽采管閥門等組成。快速接頭與抽采鉆孔的抽采管相連，固定于抽采鉆孔孔口（當(dāng)排水器為臨時(shí)設(shè)置時(shí)，采用帶快速接頭的三通，若排水器長期固定使用，則采用膠粘的方式）。排水管出水端安裝閥門，排水狀態(tài)打開，抽采狀態(tài)關(guān)閉，排水管穿過密封接頭，通過三通的直管段到達(dá)抽采鉆孔孔底。三通的另一端安裝進(jìn)氣閥門和抽采管閥門。

圖5 下行抽采鉆孔正壓排水器結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 下行抽采鉆孔正壓排水器實(shí)物圖

下行抽采鉆孔封孔結(jié)束之后，在接通抽采系統(tǒng)之前（也適用于抽采過程中的鉆孔），將下行抽采鉆孔正壓排水裝置安裝固定于抽采鉆孔孔口，排水管通過密封三通安放至鉆孔孔底，并旋緊密封接頭，三通的另一端通過抽采管閥門與抽采管路相連接。當(dāng)需要排水時(shí)，關(guān)閉抽采管閥門，打開壓縮空氣進(jìn)氣閥門、排水管閥門，依靠壓縮空氣的作用，將鉆孔內(nèi)的積水排出。

3.2 正壓排水裝置安裝步驟

（1）安裝三通。將正壓排水裝置的三通接頭安裝固定于抽采鉆孔孔口。

（2）安裝排水管。將正壓排水裝置排水管通過三通的直管段，送到抽采鉆孔孔底，向外拔出200 mm后，在孔口留出適當(dāng)長度切斷，在排水管外露端部安裝排水閥門，并關(guān)閉排水閥門。旋緊排水管密封接頭。

（3）連接抽采系統(tǒng)。將正壓排水裝置抽采系統(tǒng)與三通的直角端相連接，打開抽采管閥門。

3.3 正壓排水裝置排水步驟

（1）關(guān)閉抽采管閥門，切斷抽采鉆孔的抽采負(fù)壓。

（2）用連接軟管連接進(jìn)氣接口閥門和井下壓風(fēng)系統(tǒng)。

（3）打開排水管閥門。

（4）打開進(jìn)氣接口閥門，向抽采鉆孔內(nèi)注入壓縮空氣。

（5）在氣體壓力的作用下，鉆孔內(nèi)的積水被排出（排水口不再噴水、噴氣時(shí)，表示排水完畢）。

（6）關(guān)閉進(jìn)氣接口閥門和排水管閥門。

（7）打開抽采管閥門，使抽采鉆孔處于抽采狀態(tài)。

（8）排水過程中，排水口嚴(yán)禁對準(zhǔn)人或設(shè)備，防止噴出的高壓水、氣傷人。

裝置主要特點(diǎn)：以壓縮空氣為動力，對下行鉆孔內(nèi)的積水進(jìn)行排放，操作簡單、方便可靠；采用三通結(jié)構(gòu)形式與抽采管、抽采管路相連接，固定于抽采鉆孔孔口，不影響抽采鉆孔正常抽采，排水效率高；裝置與抽采鉆孔抽采管采用快插式連接，連接速度快。

4 工業(yè)性試驗(yàn)

為了保證試驗(yàn)效果，在平煤股份一礦戊8-31220風(fēng)巷高抽巷和六礦戊8-32010機(jī)巷高抽巷2條巷道進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)。

4.1 潛入式排水裝置排水試驗(yàn)情況

下行穿層鉆孔水排粉施工時(shí)，可以杜絕粉塵飛揚(yáng)，同時(shí)杜絕了孔內(nèi)著火事故，為煤礦安全生產(chǎn)創(chuàng)造了良好的環(huán)境。但是成孔后，鉆孔內(nèi)積水無法排出，造成封孔管無法安裝到設(shè)計(jì)位置、積水稀釋注漿液等問題，導(dǎo)致封孔不符合設(shè)計(jì)、鉆孔封孔效果差、鉆孔漏氣，影響抽采效果。封孔前，采用潛入式排水裝置排出孔內(nèi)積水，可以解決上述兩個(gè)問題，可以提高瓦斯抽采效果。

在平煤股份一礦戊8-31220風(fēng)巷高抽巷試驗(yàn)了封孔前潛入式排水器，共試驗(yàn)213個(gè)鉆孔。

在潛入式排水器進(jìn)水口單向閥下部增加粒度不大于5 mm的濾網(wǎng)，如圖7所示，保證既能排出積水中一定大小的鉆渣顆粒，同時(shí)顆粒又不堵塞排水管路。試驗(yàn)過程中，使用定量水桶量取排水量。排水6 min，排出水量138 L，排出的水呈渾濁狀，并含有顆粒狀巖石，平均排水23 L/min。受排水管長度限制，下放排水器沉入孔中20 m。若出現(xiàn)不出水或堵塞現(xiàn)象，需更換進(jìn)排氣口，向排水口充氣，通暢后，再正常排水。

圖7 改進(jìn)后排水器筒體底部濾網(wǎng)

排水前后封孔漏氣情況見表1。

（1）排水后注漿量的變化。在平煤股份一礦戊8-31220風(fēng)巷高抽巷第164組和165組鉆孔進(jìn)行了試驗(yàn)，165組沒有應(yīng)用潛入式排水裝置，164組鉆孔應(yīng)用了潛入式排水裝置，對兩組鉆孔注漿量進(jìn)行對比分析，統(tǒng)計(jì)的鉆孔注漿量如圖8所示。

表1 排水前后封孔漏氣情況

圖8 封孔使用膨脹水泥量對比

由圖8可以看出，改進(jìn)封孔工藝后，在注漿液配比和封孔段長度相同的情況下，單孔注漿液進(jìn)入鉆孔量明顯增加，由原來的平均每孔43.2 kg左右增加到平均每孔61.3 kg左右，最大注漿量為66 kg，單孔注漿液使用量平均提高了41.0%。該裝置的應(yīng)用，排出了孔內(nèi)積水，提高了封孔、注漿效果，提高了瓦斯抽采效果。

（2）排水后注漿效果。沒有采用潛入式排水裝置的鉆孔數(shù)和漏氣鉆孔數(shù)的對比如圖9所示，潛入式排水裝置的鉆孔數(shù)和漏氣鉆孔數(shù)的對比如圖10所示。

通過相同條件下封孔工藝革新前后每月漏氣鉆孔個(gè)數(shù)所占當(dāng)月施工鉆孔比例對比，封孔工藝革新后漏氣鉆孔所占比例減少3.8%，證明革新后的封孔工藝更能對鉆孔進(jìn)行有效地封堵，封孔質(zhì)量得到明顯提高。

圖9 不排水鉆孔漏氣對比圖

4.2 正壓排水試驗(yàn)情況

圖10 排水后鉆孔漏氣統(tǒng)計(jì)情況

在六礦打鉆工區(qū)戊8-32010機(jī)巷高抽巷選定20個(gè)試驗(yàn)孔進(jìn)行正壓排水試驗(yàn)，其中有2個(gè)孔在試驗(yàn)過程中因抽采管破損無法排水、測量數(shù)據(jù)，實(shí)際有效試驗(yàn)孔18個(gè)。鉆孔孔徑為94 mm，封孔管徑為50 mm。18個(gè)有效試驗(yàn)孔統(tǒng)計(jì)見表2和表3。

表2 18個(gè)有效試驗(yàn)排水記錄表 L

在風(fēng)壓0.3～0.6 MPa的條件下，排水用時(shí)1～15 min，分別排出水量1～47 L積水，平均每孔累計(jì)排水53 L，每孔平均每次排水0.2～14.2 L。

對18個(gè)試驗(yàn)抽采孔進(jìn)行1個(gè)月排水試驗(yàn)，各孔排水量趨勢如圖11所示。除個(gè)別鉆孔如264-5#、265-3#、268-2#、272-4#的排水量在排水前期變化值比較大外，其余鉆孔隨著排水天數(shù)的增加，排水量呈逐漸減少的趨勢，第8次排水（20 d）后，各孔排水量基本趨于穩(wěn)定，個(gè)別鉆孔已排不出水，但大部分都會排出少量的積水。由圖11可知：

（1）第一次排水1～47 L，平均排水12.3 L，隨著排水次數(shù)的增加，除264-5、265-3、272-4鉆孔外，其他鉆孔的排水量逐漸下降直至為0 L；

（2）264-5、265-3、272-4鉆孔排水量較大、持續(xù)時(shí)間較長，根據(jù)現(xiàn)場查看分析，推測可能有其他水源引入；

（3）風(fēng)壓對排水有影響，風(fēng)壓越大排水效率越高。

表3 排水統(tǒng)計(jì)表

4.3 瓦斯抽采濃度

（1）單孔瓦斯抽采濃度。在六礦戊8-32010機(jī)巷高抽巷268-2進(jìn)行排水試驗(yàn)，排水前后瓦斯?jié)舛茸兓鐖D12所示。由圖12可知，排水前，8次測量平均值為17.75%；排水后，8次測量平均值為41.26%，增幅132%。

344-3鉆孔排水前后濃度變化如圖13所示。由圖13可知，排水前，鉆孔瓦斯抽采濃度8次測量平均值為45.91%；排水后，鉆孔瓦斯抽采濃度8次測量平均值為60.67%，增幅32%。

圖11 各試驗(yàn)鉆孔排水量趨勢圖

圖12 268-2試驗(yàn)抽采孔排水前后濃度變化趨勢圖

圖13 344-3試驗(yàn)抽采孔排水前后濃度變化趨勢圖

345-3鉆孔排水前后濃度變化如圖14所示。由圖14可知，排水前，8次測量平均值為34.50%；排水后，8次測量平均值為56.36%，增幅63.3%。

圖14 345-3試驗(yàn)抽采孔排水前后濃度變化趨勢圖

（2）整體分析。當(dāng)抽采鉆孔中充滿積水時(shí)，一定高度的水柱在孔底會產(chǎn)生靜壓，這個(gè)壓力對于煤層中瓦斯的逸出產(chǎn)生“水封”效應(yīng)，瓦斯從鉆孔內(nèi)只能自然逸出，瓦斯治理效果差。通過排水，提高瓦斯抽采濃度，排水前后瓦斯抽采濃度如圖15、圖16所示。

由圖15和圖16可知，排水前，瓦斯抽采濃度普遍較低，個(gè)別施工地點(diǎn)瓦斯抽濃度低于10%。初次排水后，瓦斯抽采濃度在30%以上，有22%的鉆孔排水后，瓦斯抽采濃度達(dá)到45%以上，瓦斯抽采時(shí)間可延長至20 d以上。最大單孔濃度由原來的0%提高至70%，7 d內(nèi)抽采濃度提高30%以上的有11個(gè)孔，所占試驗(yàn)比率73.3%。

圖15 排水前后瓦斯抽采濃度

圖16 排水后瓦斯抽采濃度

5 結(jié)論

（1）現(xiàn)場使用水排粉的供水參數(shù)中，供水流量不滿足使用要求，實(shí)際為0.00098 m3/s，理論計(jì)算需要最低流量為0.00175 m3/s，供水管路直徑到34 mm，或最小增加流速至3.56 m/s；現(xiàn)場打鉆過程中，采用的供水管路直徑19 mm，供水流速2 m/s，供水流量為0.0098 m3/s。

（2）研制了封孔前排水裝置——潛入式排水器，最大排水深度20 m。潛入式排水器排水后，注漿量增加41.9%；封孔漏氣率降低到1.7%以下，同比減少3.8%；平均每分鐘排水可達(dá)23 L。

（3）研制了抽采過程中的正壓排水裝置，排水后，瓦斯抽濃度可達(dá)到30%以上。

通過排水裝置的研究與應(yīng)用，為下行瓦斯抽采鉆孔排水提供了一條解決途徑，提高了瓦斯抽采濃度和瓦斯治理效果。